机械设计基础课程创新能力的培养探讨

卿艳梅 王慰祖 汪刘一 甄文斌

（华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642）

0 引 言

“创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力”。随着经济的全球化和世界制造业中心向中国的转移，中国要从世界制造大国变为产品设计制造强国，如何培养具有国际竞争能力的高层次创新人才，是中国高等教育面临的重大难题，机械工程高等教育工作者也在积极探索培养学生具有工程意识和创新能力[1,2,3]。

机械设计基础是一门理论性和实践性强的专业基础课，也是一门可直接用于生产的综合性设计课程，它涉及的知识面广、涵盖的内容多。它不仅要求学生掌握常用机构和通用零件的基本知识、理论及设计方法，更重要的是培养学生的创新能力与创新思维。本文通过对机械设计基础理论教学、课程设计、实验教学及课外机械创新训练等多个环节的教学改革与学生创新能力的培养做了一定的探讨。

1 构建有利于创新能力培养的课堂教学内容和方法

1.1 精心组织教学内容，提高学生学习兴趣

机械设计基础是培养机械类和近机械类学生创新能力的重要课程，它包括机械原理和机械设计两部分内容，工科学生对于这类专业基础知识基本可以掌握，但不能灵活运用。其课程特点是内容多而繁杂，与诸多先修课程关系密切，教学内容中涉及到的概念、名词、公式和图表等很多，机械设计中要满足的强度、刚度、寿命、工艺、经济性、安全性等要求也很多。大部分学生学习中感到内容多且零乱、很难把握重点，学起来较费劲。

因此，教师上课时要理出一条清晰的知识点脉络：机械原理主要是研究和分析常用机构为主线；机械设计主要是研究和设计通用零件为主线；在课堂教学中，遵循以上两条主线来组织教学活动，注意所讲解知识点的主次分明和它们之间的相互联系，做到授课内容重点突出。例如对于机械设计部分，都要讲授零件的工作原理、受力分析、失效形式、设计准则、材料选择、强度和刚度的计算及结构设计等多个方面的内容，涉及的内容很多。因此教师可对如此多的相关知识用“鱼骨法”在黑板上简单板书，其各个知识点围绕着机械零件的设计这一条主线向外延伸，从鱼骨图中学生能清楚了解各种零件设计的内在联系和逻辑性，消除学生对所学知识的“零乱感”。同时教师在教材内容的取舍上，机械设计理论教学着重于零件的参数选择、合理的结构设计以及公式的意义和应用，对较深的理论、公式和定义的推导和证明，可有选择性地介绍其主要思路而不做详细推导和分析，以便学生重点掌握实用的结论、各参数的含义及其应用，以解决实际设计问题。最后教师教学中还要注意设计方法的横向比较，指出其差别和适用性，以有利于工程实践能力和创新能力的培养。

1.2 改革教学方法，注重学生创新思维的培养

在课堂教学组织的过程中，采用启发性教学，改变过去教师满堂灌的课堂教学方式，课堂教学中组织开展课堂讨论，充分调动学生学习的积极性，旨在培养学生主动提出问题、思考问题及创新的意识。例如在讲解平面四杆机构时，通过介绍分析我们熟悉的机构如折叠伞、翻箱机构、公交车车门启闭机构等，然后进行课堂提问，让学生自己介绍生活中还有哪些机构属于铰链四杆机构或是其演化机构及它们都有哪些特点等。通过这样的课堂教学来训练学生进行多角度、多方位地思考问题的发散性思维，不断提高学生的创新思维能力。例如，在讲解曲柄摇杆机构和自锁特性的基础上，具体介绍了十七届挑战杯的参赛作品爬杆机器人，分析了此爬杆机器人如何模仿蛇，利用曲柄摇杆机构来实现一伸一缩的爬杆动作，学生对这些出自学生自己的作品（设计）表现出了浓厚的兴趣，让学生明白原来所学的书本知识可以这样用到实践中，同时也有利于学生创新思维的培养。

课堂教学中，为了提高学生学习兴趣和主动性，可以从生活的现象中提出问题，引导学生主动思考，然后再介绍相关理论知识。在讲解轮系功用中运动的分解时，为培养学生仔细观察日常生活中的现象和提高分析问题的能力，先举出我们常见的现象：当汽车一侧后轮陷入泥潭后会出现什么现象？如何避免此种弊端？进一步引导启发学生越野车和军用车常采用四轮驱动来避免此种情况的发生；而大型工程机械车常会加装辅助装置，可将差动轮系暂时锁住使之成为一个整体（一个构件）来运转，待车辆越出陷坑后，再解锁恢复差动轮系的功用。最后介绍装在汽车后桥上的差动轮系（即差速器）的作用，是为了汽车以不同状态行驶（直行或转弯）时，两后轮能自动改变转速，同时提出新问题：我们常见的人力三轮车后轮轴上无差速器，如何解决在转弯时两后轮应以不同转速转动的需要？平时所见人力三轮车转弯行驶时出现什么现象？同学们对以上两个问题积极开动脑筋，提出各种不同的答案。最后教师在总结的时候，先叫学生结合刚才的问题仔细看一段视频，该视频是学生参加广东省第一届大学生工程训练能力竞赛的作品“无碳三轮小车”左右绕行避障的过程，当看完视频后，学生对刚才的问题又提出了新的见解。最后以“无碳三轮小车”为例，介绍其后轮是单侧驱动，即两后轮其一为驱动轮，另一为空套在后轴上的随动轮。学生们从课堂教学中体会到创新思维与创新设计其实是与现实生活息息相关的，需要不断在生活中发现问题与解决问题，并深刻体会到创新与发明无处不在。

课堂上可以借助“一题多解”的方式来培养学生的发散性思维，引导学生从不同角度进行探索思考。例如在课堂上讨论核桃剥壳取果仁的原理方案中，运用发散思维，学生踊跃地提出了多种剥壳的原理和方法如砸、压、夹、外力冲击等，但是学生都是从加外力使壳裂开或破碎来达到目的，这时引导学生能否跳出常规思维的圈子，于是又有学生提出不同的方法如使壳变脆而变得易碎、溶解壳而核仁不变、壳钻孔后内部加压、整体加压后外压骤减等，最后分析评价各种方法的优劣，选择最佳方案。在启发式课堂教学中, 学生能主动思考问题，收到良好的效果。

此外，课堂教学时可适当介绍有关机械设计及学科发展最前沿的新成果，比如一些新型的机构、新的设计方法等，增加课堂信息量，以拓宽学生的知识面和开阔创新视野，有利于学生创新思维的培养。

2 在实验和课程设计中加强学生创新意识的培养

2.1 实验中培养学生创新能力

机械设计基础实验课是教学过程中的重要实践环节，是培养学生理论联系实际、分析问题的能力及启迪其创新思维、开拓其创新潜能的重要手段。多年来，在《机械设计基础》课程的实验教学中，所开设的实验多是验证性实验，实验的目的仅停留在对所学理论知识进行验证或仅仅是为加深对理论知识的理解而开设的。传统的实验教学已不能达到创新教育的目的，因此，我校在传统验证性实验的基础上开设了机构和机械传动创新设计性和综合性实验，学生可通过不同的运动副和构件的组合来搭建各种新型机构，或通过各种常用传动组件组合成所需的不同传动方案，经过比较和性能测试，最后选择最佳的机械传动方案或机构，从而加强对学生的综合设计能力和创新能力的培养。

实验课大部分是安排确定时间学生进行集体实验。但对于机构陈列室和减速器拆装实验，采取半开放式管理，以便于学生随时观察和自学。机构陈列室主要展出机器中常见的各类机构的形式和用途、演示机构的基本原理，学生碰到书本中难以理解的机构可以随时进入机构陈列室观看模型；在减速器设计中碰到内部结构不清楚的地方，也可随时进行减速器的拆装和内部结构的分析，收到了较好的效果。

2.2 课程设计中培养学生创新能力

传统机械设计基础课程设计内容是减速器设计，教师给定基本参数和传动方案，学生利用所学的知识，进行减速器零部件的强度计算、结构设计和完成图纸绘制等各项内容。由于学生对减速器及其内部结构缺乏感性认识，往往出现照搬图册中减速器的结构，而不能综合考虑零件的强度、刚度、润滑、密封和装配等问题，例如有的设计方案中，轴承采用油润滑，但在装配图中却仿照图册采用脂润滑的密封装置，而对油润滑的供油措施未在结构上体现出来。因此照以上方法进行的课程设计很难真正起到培养设计能力、工程实践能力及创新能力的作用。

机械设计基础课程设计教学的出发点是加强学生理论分析能力、实践应用能力和创新能力的培养，注重培养学生发展求异思维和创新思维的一个非常重要的教学环节。机械设计基础课程设计中的许多问题没有统一答案，往往比较的是谁的设计更好，课程设计不仅是对课堂讲授的理论知识的运用， 更重要是要多联系实际，注重实践环节的训练，把书本所学的理论知识用于实践。对于减速器的设计，在进行设计之前组织安排学生进行减速器的拆装实验，让学生熟悉几种典型减速器的整体结构及各部分组成、功能、装拆、调整、润滑和密封等， 并给出一系列在设计中可能遇到的问题，让学生在设计中去发现、探索和解决问题，这样可以让学生在设计时会先了解每个零件的工作原理再根据课题的要求进行结构设计，而不会照搬图册。

机械设计基础课程设计题目除了传统减速器外，还增加一些与工程实际紧密联系的设计题目，如与教师科研结合起来适当选择课程设计题目，如“龙眼剥壳去核装置传动系统”、“蓖麻剥壳装置传动系统”等作为课程设计题目。为了提高学生对课程设计的兴趣，增加部分学生自拟题目，在征得教师同意的前提下，少部分学生可自定设计题目和具体方案，这部分设计题目也可直接作为创新设计大赛或是其它竞赛的作品。由于有了明确的目标，学生投入精力很大、积极性很高，课程设计收效显著。机械设计基础课程设计过程中完成任务主要靠学生自主学习、独立思考及讨论交流,，让学生真正成为设计的主体，指导教师及时给予引导和启发，并检查督促按进度完成相关内容，这样课程设计就从原来的模仿设计训练变为思考型设计训练，以培养学生的创新能力。

在课程设计教学中，指导老师鼓励学生通过对基本机构和零件进行多方式的组合和变异, 创造出满足使用要求的新机构，同时鼓励学生用PRO-E、U G进行三维设计和模拟仿真，让学生对自己的设计结果进行虚拟验证并不断修改完善，大大提高了学生的设计能力和创新能力。

3 课外机械创新训练中加强创新能力培养

3.1 以创新大赛为契机

机械创新设计大赛是对学生工程实践能力的一种综合训练，是对大学生创新思维和创新能力的一种培养。教育部自2004年起每两年举办一次“全国大学生机械创新大赛”，学校每次都下拨专门经费，学生都踊跃组队报名参加。在准备设计方案的过程中，学生必须仔细观察、认真思考及经过反复论证、讨论和修改，可行的方案才能最终确定下来。在设计方案制作完成的过程中还会遇到许多不可预知的问题,在不断发现问题解决问题的过程中，拓展了学生的创造性思维, 提高了学生的创新能力和动手能力。

机械创新设计活动是学生对所学理论知识综合运用能力的锻炼，整个过程以学生自行设计和制作为主, 教师进行辅助性指导。从往年的机械创新设计作品来看，很多作品的构思和设计非常新颖、独特，有较强的创新性，经过机械创新设计大赛的锻炼, 提高了学生对所学知识的驾驭能力和动手能力，通过机械创新设计大赛带动学生学习机械设计基础的积极性和浓厚兴趣，取得了较好的效果。

另外，“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中学生们也是积极组队参加。每年工程学院举行的科技文化节上，学生自己设计的机械设计作品也突出了新颖性、创新性。学生们对这些比赛都有着浓厚的兴趣，往往会投入最大的热情潜心钻研和精心设计，这些对大学生的综合知识运用能力、工程实践能力和创新能力的培养起到了很好的锻炼。

3.2 以科研项目为平台

机械设计基础课程一般是在三年级中开设，对于三年级的学生已有一定的先修课及专业基础知识，因此部分同学非常希望理论知识能用于实践。但“机械创新设计大赛”、“金工杯”设计大赛及“挑战杯”等各种比赛由于经费问题，能获资助参赛的同学并不多，因此有部分同学通过参与教师的科研项目，以此培养大学生的动手能力、工程意识和创新能力。

教师根据科研项目研究的需要和学生个人的特长情况，将经过挑选的同学与其他研究生等组成团队，以团队形式参与到教师科研项目中来，团队的构成在知识结构和专长方面有一定互补性，团队成员既分工又合作，这样能让更多的学生参与到工程实践中来锻炼自己和培养其创新能力。

另外，为了培养学生的创新实践能力, 目前各个高校一般都设有针对本科学生的科研基金，如我校的大学生综合设计性实验项目、校级和省级大学生创新实验项目、大学生创新创业训练等各种项目。在机械设计基础的课外机械创新训练实践活动中，鼓励学生积极参与科研项目和创新实验等项目的申报, 充分利用学校提供的科研条件和科研经费进行科技创新训练与实践，不仅能使学生的机械设计水平在实践中得以提高, 而且可能设计出具有实际应用价值的创新机械产品, 甚至申报专利成果进行推广应用。

总之, 课外机械创新科技活动既巩固了课堂所学知识,也拓宽了学生的知识领域和锻炼多方面的能力，并通过其潜移默化的导向作用, 激励学生的求知欲、创造欲, 发挥自身内在的潜力。这样学生对机械设计基础学习积极性、创新意识和创新能力得到极大的提高。

4 结 论

大学生创新能力的培养需要各方面的共同努力和多环节的培育，机械设计基础课程教学是其中一个重要的环节，为后续专业课程的教学、实践及创新人才培养奠定良好的基础。因此机械设计基础理论教学中应努力营造一种宽松引导型的教学环境，积极调动学生学习的积极性和创造性；实验和课程设计中着力培养学生的理论联系实际分析问题和解决问题的能力、工程意识及创新能力；课外实践训练中大力拓宽学生的知识面，将课堂理论教学内容与社会实践、科研及各类创新大赛有机地结合起来，注重培养学生积极进取的精神和创新的能力，这些都将有利于学生的创新意识和实践应用能力的培养。

[1]李学艺,丁淑辉,魏军英.机械设计课程教学与大学生应用创新能力培养[J].内蒙古农业大学学报(社会科学版),2011,13(5):138-140.

[2]帅玉妹.“机械设计基础”课程创新能力的培养与实践[J].中国电力教育,2011,(29):89-91.

[3]李霞,倪向东,马蓉等.机械设计教学中创新能力的培养[J].石河子大学学报(哲学社会科学版)，2009, (12):85-86.

[4]魏军英,李学艺,齐秀丽.《机械设计基础》课程的创新教学探讨[J],装备制造技术,2011,(1):172-173.

[5]李秀红,张明.改革机械设计教学培养学生的创新能力 [J].太原理工大学学报(社会科学版),2010,28(2): 80-82.

[6]何凤宇,刘志侠,杨德旭等.提高工科大学生综合素质培养的思考-以沈阳农业大学机械创新设计大赛为例[J].内蒙古农业大学学报(社会科学版),2010,12(4): 134-136.